我国典型高速铁路轮轨型面变化规律及匹配特性

为系统掌握我国高速铁路轮轨型面变化及匹配特性,在京沪、武广、哈大、兰新、贵广、丹大等6条典型高速铁路上,选择172个钢轨型面测点和6列动车组的384个车轮,进行为期2 a的现场测试。基于实测数据,应用数理统计方法分析钢轨和车轮的磨耗特性,并使用实测钢轨型面进行1个镟轮周期内的轮轨匹配等效锥度分析。结果表明:高速铁路曲线半径大于2 495 m时,直线和曲线钢轨磨耗速率基本相当;对于年通过总重小于11 Mt的线路,钢轨垂直磨耗不足0.01 mm;曲线半径小于800 m的钢轨磨耗速率明显增大;哈大线、兰新线和丹大线的动车组车轮踏面磨耗较大,踏面平均磨耗速率约为0.05～0.06 mm·(万km)~(-1),而京沪线、武广线和贵广线约为0.03～0.035 mm·(万km)~(-1);车轮磨耗范围较小时,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大而增大,车轮磨耗范围较宽时,轮轨接触点分布均匀,等效锥度随车轮踏面磨耗的增大没有明显的增大趋势。     

CRH5型动车组车体异常抖动原因分析及对策

针对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线CRH5型动车组车体异常抖动的情况,调查了异常抖动的车辆状态和抖车区段的线路情况,计算分析了轮轨匹配等效锥度和轮轨接触几何关系。结果表明:随着车辆运行里程增加,车轮踏面凹形磨耗越来越严重,加之钢轨廓形打磨不到位使得轨距角凸出,致使轮轨匹配等效锥度达0.3以上,轮轨接触几何关系不良,车体出现6～8 Hz的高频振动。通过车轮镟修和钢轨打磨可有效降低轮轨匹配等效锥度,改善轮轨接触几何关系,解决动车组异常抖动的问题。     

高速铁路动车组车体抖动问题分析与整治

针对某高速铁路动车组车体抖动问题,采集不同线路工况下车体振动加速度及平稳性数据、不同磨耗车轮踏面及打磨前后钢轨廓形,研究不同线路工况、车轮踏面和钢轨廓形对动车组车体振动特征影响,研究镟轮后不同时期车轮踏面和打磨前后钢轨廓形匹配下轮轨几何接触关系。同时,采用实际线路及动车组车辆参数,基于多体动力学软件Simpack建立包含实测车轮踏面和钢轨廓形的车辆-轨道耦合系统动力学模型,计算车轮镟修和钢轨打磨对车辆关键动力学指标的影响。研究结果表明:该高速铁路动车组车体抖动主要发生在隧道工况内,体现为垂向和横向的综合异常振动;随车轮踏面磨耗增加,实测车体振动加速度逐渐增大,轮轨接触关系逐渐恶化,与未廓形打磨钢轨匹配时尤为明显;钢轨打磨可以有效抑制等效锥度随车轮踏面磨耗增加的不断增大,有效改善轮轨接触关系。车轮镟修和钢轨廓形打磨均可降低等效锥度,有效整治高速铁路动车组车体抖动。     

高速动车组服役性能与钢轨廓形匹配适应性研究

动车组在高速铁路不同线路区段上经常出现异常振动问题，为研究动车组服役性能与钢轨廓形匹配的适应性，在不同高速铁路直线及大曲线区段选择200多个典型钢轨断面进行钢轨廓形跟踪测试，得到钢轨廓形偏差分布规律；分析不同偏差钢轨廓形分别与新轮、磨耗车轮匹配时的等效锥度、动车组动力学性能及轮对、构架、车体时频振动特性。结果表明：偏差在-0.2～0.3 mm范围的钢轨廓形占比约34%;与LMa新轮匹配，等效锥度基本保持在0.03,动车组各项动力学性能指标优良；与磨耗车轮匹配，随着钢轨廓形偏差由-0.4 mm增加到0.8 mm,名义等效锥度逐渐由小于0.01增加到0.3,当钢轨廓形偏差大于0.6 mm时，构架横向振动加速度等指标明显增大，动车组动力学性能和运行品质劣化，动车组对于线路的适应性下降。     

轮轨接触几何关系对比分析

采用Kalker CONTACT方法计算轮轨接触几何特性,分析对比了LM,LM_A,S1002CN,LM_(B-10),LM_D,XP55车轮踏面与TB 60,60D,60N钢轨廓型匹配的接触几何关系。分析结果表明:相同车轮踏面与TB 60钢轨匹配的名义等效锥度最大,与60D,60N钢轨匹配的名义等效锥度较小;LM_A踏面与TB 60钢轨匹配以及LM,S1002CN踏面与60D钢轨匹配时,具有较好的直线运行稳定性和曲线通过性能;LM,LM_A,S1002CN踏面与TB 60钢轨匹配时,车轮回复到对中位置的能力强;车轮踏面与60N钢轨匹配的接触斑分布均匀,直线上的磨耗性能好;LM_D踏面与TB 60,60D,60N钢轨匹配时也具有很好的磨耗性能;车轮踏面与60N钢轨匹配时,曲线通过的磨耗功最大,磨耗严重。     

海南环岛高速铁路动车组晃车原因分析及整治措施

针对海南环岛高速铁路东段CRH1型动车组晃车的情况,分析了晃车严重区段的轨道几何尺寸、焊接接头平直度、钢轨光带及轨头廓形。研究结果表明:钢轨轨头廓形异常(内侧工作边R80和R13圆弧处明显凹陷)和等效锥度过小(仅为0. 075)将造成轮轨匹配关系不良,表现为钢轨光带不居中,偏向轨距角侧,直线地段出现左右股钢轨光带周期性交替侧磨;车轮与钢轨非正常接触是导致CRH1型动车组晃车的主要原因。据此提出了钢轨打磨整治措施,并制定了详细的钢轨打磨方案以修正轨头廓形,使等效锥度由0. 075提高到0. 115,达到轮轨匹配等效锥度的合理范围0. 08～0. 35,改善了轮轨接触关系,解决了动车组晃车的问题。     

基于动车组横向稳定性的等效锥度限值研究

轮轨接触几何匹配关系直接影响动车组的振动性能,轮轨接触不匹配可造成动车组构架横向加速度报警、车体晃车等问题。通过对镟修后初始等效锥度和车体晃车进行研究,提出镟修后初始等效锥度限值,评价镟修质量。通过对服役动车组等效锥度的跟踪、镟修到限等效锥度分布范围与报警轮对等效锥度值的统计,提出LMA、LMB、LMC、LMD型4种车轮踏面不同速度级的服役等效锥度限值,评估动车组横向稳定性。根据等效锥度限值对车轮进行管理可以控制轮轨型面与接触关系,有效缓解构架横向加速度报警与车体晃车问题,实现车轮状态修,提高镟修经济性。     

高速铁路轮轨型面匹配对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路LMA,S1002CN,XP55这3种典型型面车轮与60,60N和60D这3种廓形钢轨匹配的情况,建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合等效锥度、Polach指数、轮轨接触带宽变化率和接触点移动速率,分析新轮与新轨匹配和磨耗车轮的型面与钢轨原始廓形在服役条件下匹配的轮轨三维接触非线性关系,研究轮轨接触非线性关系对车辆动力学性能的影响。结果表明:S1002CN型面车轮时轮轨接触点跳跃最明显,LMA型面车轮时轮轨接触点分布最均匀,XP55型面车轮时轮轨接触带宽最窄,而且新轮与60N和60D钢轨匹配时轮轨接触点较60钢轨更集中在轨头中心处;S1002CN型面磨耗车轮与60钢轨匹配时脱轨系数、轮重减载率的相对增长率均大于与60N和60D钢轨匹配时;在1个镟修周期内,S1002CN型面车轮与3种廓形钢轨匹配时,随着运营里程的增加,滚动圆附近轮轨接触带宽和接触点移动速率均增大,且与60N和60D钢轨匹配时Polach指数由正值变为负值,影响车辆的蛇行失稳临界速度、失稳后的蛇行振动幅值以及车辆蛇行失稳极限环分岔特征。     

基于LM_A型面磨耗车轮与60N钢轨匹配的高铁车辆动力学性能分析

建立车辆—轨道耦合动力学模型,计算和分析LMA型面的车轮在不同磨耗程度下与60N钢轨匹配时高铁车辆直线运行中车轮的等效锥度和轮轨动态接触点位置及平稳性指标,以及曲线通过时的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮对横移量和磨耗功均方根值及车轮表面滚动接触疲劳系数均方根值,并与60钢轨对比。结果表明:LMA型面的磨耗车轮与60N钢轨匹配时,在车辆运行里程达到25万km后,直线运行条件下轮轨动态接触点的横向分布宽度仅为8.2mm,仅约为60钢轨的一半,车辆运行的稳定性优于采用60钢轨时;车辆曲线通过时的轮轨横向力、车轮抗磨耗和疲劳性能也均优于采用60钢轨时;总之,相比60钢轨,不同磨耗程度的车轮与60N钢轨匹配均能保持较好的车辆动力学性能。     

地铁车辆轮轨型面匹配及其对接触应力的影响

为了改善地铁车轮出现的异常磨耗问题,对上海地铁3号线车辆车轮踏面DIN5573出现的磨耗进行测试,获得2种磨耗车轮踏面。在SIMPACK软件中建立了地铁车辆动力学仿真模型,计算得到未磨耗、凹形磨耗、沟槽状磨耗3种车轮踏面与TB60,60N钢轨型面匹配时轮对横移量,将其输入到用ABAQUS软件建立的轮轨三维弹塑性有限元模型,分析不同轮轨型面匹配对接触应力的影响。结果表明:3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨接触点均匀分布在轨顶和车轮踏面中部,等效锥度基本稳定;在半径350 m的曲线上,与TB60钢轨型面匹配相比,3种车轮踏面与60N钢轨型面匹配时轮轨最大接触应力最多减小384.9 MPa,钢轨、车轮最大Mises应力最大减幅分别为40%,35%。城市轨道交通小半径曲线地段较多,采用60N钢轨型面可以明显降低曲线外股的接触应力,减少轮缘磨耗和钢轨侧磨,从而降低钢轨疲劳伤损。     

我国铁路钢轨型面优化研究

针对我国铁路轮轨匹配存在的问题,研发了钢轨打磨设计廓形60D和新轨头廓形钢轨60N。优化后的轨头廓形与LM、S1002CN和LMA型面车轮接触时的光带基本居中,轮轨接触应力显著降低,可有效抑制车轮踏面凹磨后等效锥度的增大,提高车辆运行稳定性。高速铁路按廓形60D打磨到位,钢轨打磨周期可延长至4~5年,且不易出现动车组构架报警和车体晃车。60N钢轨在普速铁路上的铺设使用结果表明,在直线上运行轮轨接触光带居中,在曲线上运行可有效避免或抑制钢轨使用初期轨距角剥离掉块及疲劳核伤;在高速铁路试验段的铺设使用结果表明,采用1遍预打磨后钢轨服役近5年,光带保持在30mm左右,从未出现动车组构架报警和车体晃车,可有效改善轮轨匹配关系,大幅降低轮轨维修养护成本。建议加快新轨头廓形钢轨系列化,以尽快在我国铁路形成统一的钢轨轨头廓形。     

构架报警动车组运行稳定性的线路试验研究

服役动车组多次出现构架失稳报警。为评估报警时的运行安全,制定对应措施,组织了专项试验,采用轮轨力的试验方法研究构架报警时的运行稳定性和横向稳定性问题。通过将报警车轮制作成测力轮对,测试构架报警时的轮轨作用力和振动特性;通过建立仿真模型,开展计算分析,结合线路测试数据统计,综合分析构架横向失稳时的列车运行安全性。通过长期跟踪动车组车轮踏面磨耗状态,分析轮轨等效锥度与构架报警关系,提出了根据轮轨等效锥度实施动态旋修,减少构架报警的措施;结果显示:动车组构架报警时,列车有一定的安全裕量;在线路条件不变的情况下,轮轨等效锥度超过0.35mm后易出现构架报警,根据轮轨等效锥度可以评估服役动车组的横向稳定性,根据轮轨等效锥度实施动态旋修可有效减少构架报警。     

钢轨打磨对动车组轮轨匹配及磨耗影响研究

为解决动车组车辆在运行中出现的晃车及加速度异常情况,对磨耗后钢轨型面进行打磨,并通过仿真分析以及跟踪测量对打磨效果进行评估。分析结果表明,打磨后轮轨接触点对分布较打磨前更窄,分布于滚动圆附近,轮对发生横移时滚动圆半径变化较小,但由于其较小的接触面积导致接触应力较大,易产生较大的垂磨;打磨后钢轨匹配时由于等效锥度较小,对车辆运行稳定性及车体振动起到改善作用;打磨后钢轨的磨耗位置居中,磨耗面积小但垂直磨耗大,在运行一段时间后,轮轨接触光带会缓慢增大。因此,钢轨打磨缓解了车辆运行过程中构架横向加速度异常的情况,虽其滚动圆处垂磨较大,但其总磨耗量较打磨前小,且降低了对钢轨的损伤,有利于延长钢轨的寿命。     

地铁车轮磨耗及其对轮轨匹配状态的影响

对国内某地铁线路的车轮磨耗规律进行了现场调查和分析。车轮磨耗集中于轮缘根部和踏面-25~30 mm范围。LM32模板动车车轮踏面磨耗突出区为-8~-4 mm,25万~40万km里程车轮最大磨耗量为2.5~4.0 mm。采用薄轮缘LM30模板镟轮的拖车车轮踏面磨耗集中在-10~10mm范围,19万km以内里程踏面磨耗量为0.2~0.5 mm。利用轮轨接触几何理论和轮轨滚动接触理论,研究不同车轮磨耗状态下的轮轨静态匹配性能,包括接触点对分布和轮轨接触应力,分析车轮表面裂纹的机理。车轮轮缘根部与钢轨轨距角集中接触容易导致接触光带偏向轨距角。轮缘根部及踏面上小曲率半径区与钢轨集中接触是产生车轮踏面接触疲劳的主要原因。     

CHN60轨与59R2槽型轨对现代有轨电车轮轨匹配性能的影响分析

为研究CHN60钢轨型面、59R2钢轨型面与现代有轨电车不同磨耗车轮型面的匹配性能,对国内一现代有轨电车车轮型面进行现场测量,将运行不同里程后磨耗车轮型面分别与CHN60钢轨型面、59R2槽型轨型面在对中位置进行型面匹配,建立轮轨弹塑性接触有限元模型,对有轨电车轮轨接触的Mises应力、接触状态进行了研究。研究结果表明:新车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力相差不大;随着运行里程的增加,磨耗车轮与CHN60钢轨、59R2槽型轨匹配的最大等效应力先增加后减少;有轨电车磨耗车轮与59R2槽型轨匹配的接触斑面积大,最大等效应力小,且形状更接近于椭圆形,轮轨匹配性能较好。     

成贵客专动车组异常抖动原因分析及治理

针对成贵客专某型动车组出现的异常抖动问题,现场对动车组异常抖动区段的轨面状态、钢轨廓形进行调查,结合轨面状态、实测车轮踏面及实测发生抖车工况的动车组车体加速度测试结果,从轮轨关系角度分析动车组发生异常抖动的原因。成贵客专动车组出现异常抖动主要发生在车站道岔区段,原始廓形为60轨,长期未进行廓形修整导致钢轨廓形不良、轨头扁平,与实测磨耗车轮匹配时锥度过大,引起轮轨关系恶化,蛇行运动能量急剧增大。通过廓形打磨,钢轨廓形得到有效修复,钢轨光带分布合理,轮轨关系得到有效改善,动车组异常抖动问题得到有效解决。     

高速铁路轮轨匹配存在问题及对策

对我国高速铁路因轮轨匹配问题而导致轮轨接触位置不良、动车组构架横向加速度超限报警、动车组异常抖动、钢轨波磨、道岔直尖轨非工作边疲劳裂纹等的具体成因进行研究,并主要从轮轨接触关系、等效锥度、轮轨匹配、钢轨打磨、道岔直尖轨处理等方面提出对应的解决方案。结果表明:车轮型面与60钢轨廓形不匹配导致了轮轨接触位置不良,采用60N钢轨可使轮轨的接触位置居中;按设计的钢轨廓形或60N钢轨廓形进行钢轨打磨,可以有效降低轮轨的等效锥度,从而抑制动车组异常抖动和构架横向加速度超限;采用GMC96—B型和GMC96—X型钢轨打磨车打磨产生的钢轨周期性磨痕波深较大时,容易发展成钢轨波磨,而采用大机打磨可有效治理钢轨波磨;道岔直尖轨非工作边因未倒棱且长期承受应力集中作用是造成其产生疲劳裂纹的根本原因,可采用倒圆和组合断面轨面修型处理,有效控制直尖轨非工作边的疲劳伤损。     

钢轨磨耗演变预测模型研究

建立一种可计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨磨耗演化预测模型,利用车辆-轨道耦合动力学计算轮轨动态相互作用;基于Kalker非Hertz滚动接触理论进行轮轨滚动接触分析;选用Braghin磨耗模型计算材料磨耗;使用局部加权回归散点平滑法对计算的钢轨型面进行平滑处理。运用该模型计算分析CRH3型动车组以300km/h速度在Ⅰ型板式无砟轨道直线段运行时钢轨磨耗的演变形态。结果表明:钢轨光带沿轨道纵向几乎是平直的,光带宽度约为20mm;随着通过车辆数目的逐渐增加,钢轨的磨耗速率先减小后增大;钢轨磨耗后,轮轨接触点在钢轨上的分布集中于磨耗区边缘的两个狭窄区域;在线路初始运营阶段,钢轨磨耗对轮轨横向力的影响大于其对轮轨垂向力的影响。     

地铁大修钢轨廓形及其对等效锥度影响分析

地铁钢轨达到大修周期需进行更换,为探究大修期废旧钢轨的磨耗水平与轮轨匹配关系,实测了大修期钢轨的廓形,并仿真计算轮轨匹配等效锥度,并进一步分析大修钢轨廓形对等效锥度的影响。研究结果表明：(1)选用UIC519积分法,利用多体动力学软件UM计算轮轨匹配等效锥度合理可行,计算结果可靠;(2)达到6亿t换轨期后,直线段钢轨磨耗量普遍小于3 mm,远小于维修规则中侧磨16 mm、垂磨14 mm的限值要求;(3)大修所换钢轨廓形的磨耗对轮轨等效锥度影响均未超标准限值,说明钢轨磨耗对轮轨动态影响较小;(4)钢轨廓形垂磨中扁平状的磨耗对等效锥度影响相对较大,说明轨顶扁平状不利于行车舒适性和安全性。     

高速铁路CHN60N钢轨与不同车轮踏面匹配性能研究

为研究高速铁路CHN60N钢轨廓形与不同车轮踏面(LMA、S1002CN和XP55)的匹配性能,从轮轨接触几何关系角度分析轮轨接触点、等效锥度和轮轨接触蠕滑率随轮对横移的变化情况,并基于轮轨非赫兹滚动接触理论分析轮轨滚动接触面积和最大法向接触应力分布情况,利用车辆-轨道耦合动力学模型分析车辆运行平稳性、曲线通过能力及轮轨接触点动态分布情况。研究表明:XP55车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能最优;由于曲线通过性能与其他两种型面相差较大,LMA车轮踏面与CHN60N钢轨综合匹配性能次之;S1002CN踏面与CHN60N钢轨匹配时,由于车辆直线运行舒适性最差,滚动接触时表面疲劳因子明显大于其他两种车轮型面,易导致轮轨表面产生疲劳伤损,综合匹配性能最差。